一种实现光子晶体光纤与实心光纤低损耗熔接的方法技术

本发明专利技术属于光学设计技术，涉及一种实现光子晶体光纤与实心光纤低损耗熔接的方法。本发明专利技术通过建立光子晶体光纤与实心光纤熔融状态下的温度场分布模型以及空气孔受力模型，推导出空气孔塌陷程度与二氧化碳激光器放电参数之间的数值关系。再通过建立光子晶体光纤端面结构与其有效模场面积的数值关系，得到光子晶体光纤与实心光纤熔接的损耗模型，进而精确计算出实现低损耗熔接的二氧化碳激光器放电参数。本发明专利技术通过对二氧化碳激光器放电参数的精确计算，可以控制光子晶体光纤空气孔结构，使光子晶体光纤与普通实心光纤在熔融状态时的有效模场达到最佳匹配状态，进而降低熔接损耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学设计技术，涉及一种实现光子晶体光纤与实心光纤低损耗熔接的方法。
技术介绍
光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber，PCF)或称为微结构光纤(Micro-StructureFiber，MSF)，是近十几年出现的一种新型光纤，与常规实心光纤有显著区别的新型特种光纤。这种结构的光纤沿光线轴向方向有规律地分布着许多空气孔，改变空气孔的大小和排列方式，将会改变输出光的特性，这种特有的特点使它有望研制出各种新颖的光电子器件，特种光纤，因此光子晶体光纤将会广泛应用于光通信和光电子领域。但在开发研究这些应用时，都涉及光子晶体光纤的连接技术，目前可通过光纤活动连接器、电弧放电熔接方式、二氧化碳激光器熔接方式进行光子晶体光纤与普通实心光纤之间的连接。而二氧化碳激光器熔接方式以其高吸收率(波长10.6um)，激光的形状和能量可控，无如染和残留物等优势成为光子晶体光纤与普通实心光纤熔接的首选方式。然而一方面由于光子晶体光纤与普通实心光纤结构、物理参数都存在差异，同时光子晶体光纤存在的特殊空气孔结构的存在，在对二氧化碳激光器放电加热过程中，会出现与普通实心光纤温升、温度分布情况、熔融情况不一致的现象影响熔接损耗；另一方面可通过匹配光子晶体光纤与普通实心光纤模场来减小熔接损耗，而光子晶体光纤有效模场面积取决于熔接完成后的光子晶体光纤空气孔结构。因此，必须通过对放电加热过程中的温度场分布数值分析与仿真，研究出一套控制光子晶体光纤空气孔结构参数的方法，精确实现两侧光纤熔融的同时，控制光子晶体光纤空气孔塌陷程度使两种光纤有效模场达到最佳匹配，从而使熔接损耗降低至最小。
技术实现思路
本专利技术的目的：提供一种通过控制光子晶体空气孔塌陷程度，实现光子晶体光纤与实心光纤低损耗熔接的方法。本专利技术的技术方案：一种实现光子晶体光纤与实心光纤低损耗熔接的方法，其通过建立光子晶体光纤与普通实心光纤熔融状态下的温度场分布模型以及空气孔受力模型，模拟放电过程中两侧光纤温度变化情况以及空气孔壁受力情况，进而推导出空气孔塌陷程度与二氧化碳激光器放电参数之间的数值关系，再通过建立光子晶体光纤端面结构与其有效模场面积的数值关系，得到光子晶体光纤与实心光纤熔接的损耗模型，进而精确计算出实现低损耗熔接的二氧化碳激光器放电参数。二氧化碳激光器放电参数包括放电中心位置、放电时间、放电量。所述的实现光子晶体光纤与实心光纤低损耗熔接的方法，其具体步骤如下：步骤1：建立两侧光纤有效模场面积与熔接损耗模型光子晶体光纤的高双折射特性是由其中心附近两个大圆的几何结构形成的，根据光的电磁理论计算，光被束缚在光纤中心时，电场强度分布光子晶体光纤中心的电场强度分布E1；同时计算普通实心光纤纤芯中的电场分布E2；高双折射型光子晶体光纤和熊猫保偏光纤耦合时，在突变界面将发生模式转换，其中一部分与波导的模式相匹配，将继续在波导中传播；另一部分与波导的模式不匹配，变成辐射模而损失掉，损失掉的这部分能量成为耦合失配损耗，通过两波导的模式匹配计算耦合效率，进而可以建立两侧光纤有效模场面积与熔接损耗的模型；步骤2：光子晶体光纤导热特性分析对光子晶体光纤受热的导热特性进行分析，得到不同二氧化碳激光器放电参数下光子晶体光纤温度场分布模型；步骤3：光子晶体光纤与普通实心光纤熔接时导热特性分析结合步骤2光子晶体光纤温度场分布模型，进行光子晶体光纤与普通实心光纤熔接时的导热特性分析，进而建立不同二氧化碳激光器放电参数下两侧光纤的温度场分布模型；步骤4：光子晶体光纤与普通实心光纤熔接时力学特性分析结合步骤3不同二氧化碳激光器放电参数下的两侧光纤温度场分布模型，建立熔融状态下光子晶体光纤粘度系数与温度的关系和光子晶体光纤流动方程，根据光子晶体光纤中气液两相界面的流动过程，使用气液两相流中的水平集方法对其石英-空气界面进行追踪，得到石英液体界面在表面张力下运动方程，进而建立不同二氧化碳激光器放电参数下光子晶体光纤空气孔结构模型；步骤5：建立二氧化碳激光器放电参数与熔接损耗的数值模型结合步骤4不同二氧化碳激光器放电参数下光子晶体光纤空气孔结构模型，以及步骤1光子晶体光纤与普通实心光纤有效模场面积与损耗模型，建立二氧化碳激光器放电参数与熔接损耗的数值关系；步骤6：低损耗熔接参数确定结合步骤5二氧化碳激光器放电参数与熔接损耗的数值模型，为了得到最低的熔接损耗，即需要实现两侧光纤模场的最佳匹配，求得熔融状态下光子晶体光纤空气孔结构，进而可以推导出要得到上述结构需要的二氧化碳激光器放电参数：放电量、放电时间、放电中心位置。在放电时间确定时，放电中心位置delta可由公式(1)得出z＝-419.6delta2-0.945delta+7.943×10-5(7)其中，Z为光纤端面轴向坐标。放电量在确定放电时间下，由z＝0位置处，温度与放电时间的关系曲线确定。在确定放电时间下，z＝0位置处，温度与放电时间的关系曲线，由如式(8)所示的二氧化硅粘度系数μ确定其中，T为与放电时间相关的温度。光子晶体光纤空气孔的塌陷程度影响塌陷面积，从而影响光纤耦合，两侧光纤在突变界面将发生模式匹配时的光纤耦合效率，由公式(5)确定，其中，E1(x，y)和E2(x，y)分别为两侧光纤在突变界面的两个模场分布。本专利技术的优点和有益效果是：通过建立光子晶体光纤与普通实心光纤熔融状态下的温度场分布模型以及空气孔受力模型，模拟放电过程中两侧光纤温度变化情况以及空气孔壁受力情况，进而推导出空气孔塌陷程度与二氧化碳激光器放电参数(放电中心位置、放电时间、放电量)之间的数值关系，通过两侧光纤有效模场面积与熔接损耗的数值模型推导出冷却后光子晶体光纤有效模场直径，进而精确计算出二氧化碳激光器的放电参数(放电中心位置、放电时间、放电量)。这样一方面可以在熔接操作实施前精确计算出能使两侧光纤同时达到熔融状态，且最高温度点出现在界面处的二氧化碳激光器放电参数，避免具体生产操作过程中操作失败带来的损失，减少返工；另一方面可以通过对二氧化碳激光器放电参数的精确计算，可以控制光子晶体光纤空气孔结构，使光子晶体光纤与普通实心光纤在熔融状态时的有效模场达到最佳匹配状态，进而使冷却后熔接损耗降至最低。附图说明图1是光子晶体光纤电场有效模式的等值线图；图2是二氧化碳激光器加热被熔光纤示意图；图3是氧化碳激光器加热光子晶体光纤示意图；图4是t＝300ms两侧光纤的温度分布曲线；图5是在温度和表面张力作用下导致空气孔塌陷的光子晶体端面示意图；图6是粘度与温度的关系曲线；图7端面温度与时间关系曲线；图80.5s时空气孔的收缩情况；图9收缩前后模型对比；图10收缩后光子晶体光纤模式。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的说明：本专利技术实现光子晶体光纤与实心光纤低损耗熔接的方法通过建立光子晶体光纤与普通实心光纤熔融状态下的温度场分布模型以及空气孔受力模型，模拟放电过程中两侧光纤温度变化情况以及空气孔壁受力情况，进而推导出空气孔塌陷程度与二氧化碳激光器放电参数之间的数值关系。再通过建立光子晶体光纤端面结构与其有效模场面积的数值关系，得到光子晶体光纤与实心光纤熔接的损耗模型，进而精确计算出实现低损耗熔接的二氧化碳激光器放电参数。具体过程包括如下步骤：步骤1：建立两侧光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现光子晶体光纤与实心光纤低损耗熔接的方法，其特征在于，通过建立光子晶体光纤与普通实心光纤熔融状态下的温度场分布模型以及空气孔受力模型，模拟放电过程中两侧光纤温度变化情况以及空气孔壁受力情况，进而推导出空气孔塌陷程度与二氧化碳激光器放电参数之间的数值关系，再通过建立光子晶体光纤端面结构与其有效模场面积的数值关系，得到光子晶体光纤与实心光纤熔接的损耗模型，进而精确计算出实现低损耗熔接的二氧化碳激光器放电参数。

【技术特征摘要】
1.一种实现光子晶体光纤与实心光纤低损耗熔接的方法，其特征在于，通过建立光子晶体光纤与普通实心光纤熔融状态下的温度场分布模型以及空气孔受力模型，模拟放电过程中两侧光纤温度变化情况以及空气孔壁受力情况，进而推导出空气孔塌陷程度与二氧化碳激光器放电参数之间的数值关系，再通过建立光子晶体光纤端面结构与其有效模场面积的数值关系，得到光子晶体光纤与实心光纤熔接的损耗模型，进而精确计算出实现低损耗熔接的二氧化碳激光器放电参数。2.根据权利要求1所述的实现光子晶体光纤与实心光纤低损耗熔接的方法，其特征在于，二氧化碳激光器放电参数包括放电中心位置、放电时间、放电量。3.根据权利要求2所述的实现光子晶体光纤与实心光纤低损耗熔接的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：建立两侧光纤有效模场面积与熔接损耗模型光子晶体光纤的高双折射特性是由其中心附近两个大圆的几何结构形成的，根据光的电磁理论计算，光被束缚在光纤中心时，电场强度分布光子晶体光纤中心的电场强度分布E1；同时计算普通实心光纤纤芯中的电场分布E2；高双折射型光子晶体光纤和熊猫保偏光纤耦合时，在突变界面将发生模式转换，其中一部分与波导的模式相匹配，将继续在波导中传播；另一部分与波导的模式不匹配，变成辐射模而损失掉，损失掉的这部分能量成为耦合失配损耗，通过两波导的模式匹配计算耦合效率，进而可以建立两侧光纤有效模场面积与熔接损耗的模型；步骤2：光子晶体光纤导热特性分析对光子晶体光纤受热的导热特性进行分析，得到不同二氧化碳激光器放电参数下光子晶体光纤温度场分布模型；步骤3：光子晶体光纤与普通实心光纤熔接时导热特性分析结合步骤2光子晶体光纤温度场分布模型，进行光子晶体光纤与普通实心光纤熔接时的导热特性分析，进而建立不同二氧化碳激光器放电参数下两侧光纤的温度场分布模型；步骤4：光子晶体光纤与普通实心光纤熔接时力学特性分析结合步骤3不同二氧化碳激光器放电参数下的两侧光纤温度场分布模型，建立熔融状态下光子晶体光纤粘度系数与温度的关系和光子晶体光纤流动方程，根据光子晶体光纤中气液两相界面的流动过程，使用气液两相流中的水平集方法对其石英-空气界面进行追踪，得到石英液体界面在表面张力下运动方程，进而建立不同二氧化碳激光器放电参数下光子晶体光纤空气孔结构模型；步骤5：建立二氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：万洵，丁阔，谢良平，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61